低壓開關(guān)電器主電路溫度場(chǎng)的有限元分析-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯低壓開關(guān)電器主電路溫度場(chǎng)的有限元分析-技術(shù)方案摘要:基于有限元軟件Ansys的熱電耦合功能，采用導(dǎo)電橋模型模擬觸頭間電流收縮和焦耳發(fā)熱，對(duì)某型低壓開關(guān)電器樣機(jī)的主電路進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析模型基礎(chǔ)上，建立了開關(guān)電器瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析模型。使用瞬態(tài)熱分析模型，對(duì)其在承受短時(shí)大電流情況下的溫度分布進(jìn)行了仿真，給出了判斷觸頭靜熔焊的依據(jù)，并分析了開關(guān)電器的熱穩(wěn)定性。仿真結(jié)果對(duì)低壓開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

0引言

低壓開關(guān)電器工作時(shí)，載流導(dǎo)體流過(guò)電流會(huì)產(chǎn)生焦耳熱能，焦耳熱能一部分散失到周圍介質(zhì)中，一部分加熱開關(guān)電器，導(dǎo)致本身溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸頭熔焊。傳統(tǒng)的電器熱分析采用牛頓熱計(jì)算公式，計(jì)算誤差比較大，而且不能計(jì)算場(chǎng)域的溫度分布。目前進(jìn)行熱分析主要有2種方法，即有限元法和熱網(wǎng)絡(luò)有限差分法。使用有限元法，可以全方面考慮多種因素，獲得內(nèi)部的溫度分布以及溫度及所在位置。

Lindmayer建立了低壓斷路器熱分析的簡(jiǎn)化模型，并基于熱電耦合對(duì)低壓斷路器的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，模型中考慮了傳導(dǎo)和對(duì)流散熱。其他學(xué)者在低壓開關(guān)電器熱分析方面也做了不少研究工作，主要有:基于機(jī)械、電和熱耦合分析，研究了導(dǎo)體接觸處的發(fā)熱和散熱過(guò)程;在Lindmayer斷路器簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化了模型，不僅分析導(dǎo)體部分，還分析了非導(dǎo)體部分，為斷路器中非導(dǎo)體材料的選擇和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)［4-7］。國(guó)內(nèi)有關(guān)相關(guān)通過(guò)對(duì)交流接觸器發(fā)熱和散熱過(guò)程的分析，基于熱電耦合對(duì)于長(zhǎng)期工作制下的交流接觸器進(jìn)行了數(shù)值熱分析，分析了主回路接線端擰緊力的大小、主觸頭彈簧終壓力的大小，以及連接導(dǎo)線截面大小對(duì)溫度場(chǎng)的影響［7］。

本文采用導(dǎo)電橋模型模擬觸頭接觸發(fā)熱，使用Ansys對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。仿真分析了低壓開關(guān)電器長(zhǎng)期工作制下的穩(wěn)態(tài)溫升，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;并以穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析模型為基礎(chǔ)，建立了開關(guān)電器瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析模型。在短時(shí)大電流情況下，使用瞬態(tài)熱分析模型計(jì)算了開關(guān)主電路的溫度場(chǎng)分布，給出了判斷觸頭是否熔焊的依據(jù)，為轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1轉(zhuǎn)換開關(guān)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

1.1主電路的簡(jiǎn)化幾何模型

研究對(duì)象為額定電流為200A的某型雙觸頭低壓開關(guān)電器，其主電路主要由進(jìn)線端、靜導(dǎo)電桿、動(dòng)導(dǎo)電桿、動(dòng)靜觸頭、軟連接和出線端幾部分組成。

為便于仿真計(jì)算，軟連接采用等效阻值的長(zhǎng)方體代替。開關(guān)主電路的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1主電路簡(jiǎn)化幾何模型。

1.2溫度場(chǎng)計(jì)算模型

低壓開關(guān)在長(zhǎng)期工作制下，電流通過(guò)載流部分產(chǎn)生焦耳熱，包括主電路和電磁系統(tǒng)2部分。

考慮到此型開關(guān)的特殊構(gòu)造，主電路和電磁系統(tǒng)相分離，分析時(shí)忽略電磁系統(tǒng)發(fā)熱對(duì)主電路溫升的影響。產(chǎn)生的熱損耗通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種方式散失到周圍的中。

為便于計(jì)算求解，做如下簡(jiǎn)化處理:忽略臨近熱源的影響;材料同性;瞬態(tài)發(fā)熱情況下，三維熱傳導(dǎo)方程為：

穩(wěn)態(tài)發(fā)熱情況下，三維熱傳導(dǎo)方程為：

式中ρ———材料密度

c———材料比熱容

T———溫度

λ———導(dǎo)熱系數(shù)

q———單位體積內(nèi)熱源生成熱

x、y、z———直角坐標(biāo)

內(nèi)部電路考慮載流導(dǎo)體熱傳導(dǎo)，導(dǎo)體與絕緣體之間界面采用絕熱條件;接線端表面通過(guò)自然對(duì)流和輻射散熱，采用綜合散熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

絕熱邊界條件:

散熱邊界條件:

式中αT———綜合散熱系數(shù)

T0———物體溫度

Tf———環(huán)境溫度

1.3導(dǎo)電橋模型

由于觸頭表面是凹凸不平的，動(dòng)、靜觸頭實(shí)際只在少數(shù)突出的點(diǎn)發(fā)生真正的接觸。電流流過(guò)接觸處時(shí)電流線收縮，流過(guò)導(dǎo)電斑點(diǎn)附近的電流路徑增長(zhǎng)，有效導(dǎo)電界面減小，這樣就產(chǎn)生了接觸電阻。為模擬動(dòng)、靜觸頭之間的接觸，假設(shè)觸頭中心有一圓柱體的導(dǎo)電橋聯(lián)系動(dòng)靜觸頭，用此模型來(lái)模擬動(dòng)、靜觸頭的電接觸，如圖2所示。

導(dǎo)電橋的材料屬性與觸頭材料相同，圓柱體半徑r由Holm公式計(jì)算得到，而導(dǎo)電橋的高度h采用2倍的凸起高度，一般在幾μm到幾十μm之間，本文采用20μm。

式中F———觸頭壓力

H———材料硬度

ξ———觸頭表面接觸系數(shù)，一般為0.3～0.6

圖2導(dǎo)電橋模型。

1.4接線端處理：

連接導(dǎo)線不但有接線端傳入的熱量，其自身也有電阻損耗，熱量通過(guò)導(dǎo)線表面散熱。該過(guò)程對(duì)于開關(guān)電器的熱分析有很重要的作用，忽略該過(guò)程就會(huì)使結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為簡(jiǎn)化該過(guò)程，在建模過(guò)程中不將導(dǎo)線建立在分析模型中，而將導(dǎo)線的作用歸算到接線端子的邊界條件中。

電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱加熱自身，使導(dǎo)體的溫度升高，溫升的計(jì)算公式如下:

接線端流入導(dǎo)線的熱量:

式中I———流過(guò)導(dǎo)體的電流

Tt———接線端溫度

Tr———導(dǎo)線的溫度

a———導(dǎo)線散熱系數(shù)

B———導(dǎo)體截面周長(zhǎng)

Ac———導(dǎo)體截面積

λc———導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

2穩(wěn)態(tài)條件下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1仿真結(jié)果

使用三維有限元軟件包Ansys，通過(guò)直接耦合電場(chǎng)和熱場(chǎng)，對(duì)開關(guān)電器在額定工作條件時(shí)主電路進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。其中，觸頭壓力為10N，材料為AgSnO2，其他部分為Cu。

開關(guān)主電路溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果如圖3所示。

其中，1～5是試驗(yàn)中選取的5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。由圖3可見，溫度出現(xiàn)在導(dǎo)電橋部分，動(dòng)、靜觸頭溫度次之，出線端溫度。對(duì)此，接觸電阻是開關(guān)升溫的主要熱源，且觸頭處散熱條件較差，故這里溫度較高，而出線端離導(dǎo)電橋距離較遠(yuǎn)，還可以通過(guò)連接導(dǎo)線散熱，因此，溫度比其他部位低一些。

開關(guān)主電路電位分布如圖4所示。由圖4可以看出，主要的電壓降出現(xiàn)在導(dǎo)電橋部分，因?yàn)閷?dǎo)體本身電阻引起的壓降較小，也進(jìn)一步說(shuō)明，動(dòng)、靜觸頭的接觸電阻引起的焦耳熱是開關(guān)電器主電路發(fā)熱的主要熱源。

圖3開關(guān)主電路溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。

圖4開關(guān)主電路電位分布。

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，根據(jù)低壓開關(guān)電器相關(guān)國(guó)標(biāo)，采用熱電偶對(duì)選定測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，并測(cè)量主電路電阻。使用直流電焊機(jī)給主電路通200A直流電流，進(jìn)過(guò)多次測(cè)量得到出線端與進(jìn)線端之間的電壓降為0.024V，而仿真結(jié)果為0.026V，與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異。這主要是由于采用導(dǎo)電橋模型來(lái)模擬動(dòng)、靜觸頭的接觸，而選取的導(dǎo)電橋尺寸與實(shí)際接觸情況具有一定差異。

采用熱電偶對(duì)開關(guān)電器在額定工作條件下的穩(wěn)定溫升進(jìn)行測(cè)量，選取主電路中的5處作為測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較如圖5所示。這主要是由于采用導(dǎo)電橋模型與實(shí)際接觸情況具有一定差異;此外，模型的簡(jiǎn)化、綜合散熱系數(shù)和材料參數(shù)的選取對(duì)結(jié)果也有一定的影響。

圖5測(cè)量點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。

3大電流情況下熱穩(wěn)定性仿真與分析

當(dāng)開關(guān)通過(guò)大電流時(shí)，熱損耗功率很大，觸頭易發(fā)生熔焊。由于導(dǎo)電橋的體積很小，導(dǎo)電橋溫度迅速上升，極短時(shí)間內(nèi)便超過(guò)材料的軟化溫度，因此，可以忽略材料從起始溫度達(dá)到軟化點(diǎn)溫度的過(guò)程，直接使用軟化后的材料硬度。通過(guò)溫度場(chǎng)分布，可以得到整個(gè)觸頭部分的熔化范圍。由此，結(jié)合材料本身的熔焊強(qiáng)度，就可以計(jì)算得到觸頭的熔焊力。當(dāng)熔焊力大于觸頭分?jǐn)嗔r(shí)，觸頭就不能分?jǐn)?，就?huì)發(fā)生熔焊;反之，則不會(huì)造成熔焊。

當(dāng)20倍額定電流在持續(xù)時(shí)間0.5s短路電流情況下，對(duì)主電路溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析。

開關(guān)主電路瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示。從瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可以看出，導(dǎo)電橋和觸頭部分溫度;其他部分溫度較低;在接線端和導(dǎo)電桿處，溫度接近室溫。由于導(dǎo)電橋的溫度為704.9℃，低于材料的熔點(diǎn)，故不會(huì)發(fā)生熔焊。

圖6開關(guān)主電路瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。

4結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用有限元軟件Ansys的熱電耦合